Autonome Planung und Entscheidungsoptimierung in der Ablaufsteuerung flexibel automatisierter Fertigungssysteme

Die Automatisierung der Fertigungsprozesse richtet sich heutzutage überwiegend nach der Ausschöpfung der Skaleneffekte. Die Ursachen davon sind auf die be-grenzte Flexibilität in der Betriebsphase und die hohen Aufwendungen in der Pla-nung, Programmierung, Inbetriebnahme, Anpassung und Wartung von individuell projektierten Automatisierungslösungen zurückzuführen. Die hohen Lohnkosten in Verbindung mit der steigenden Nachfrage nach kundenindividuellen Produkten for-dern die Anlagenhersteller jedoch heraus, hochflexible und möglichst adaptive Auto-matisierungssysteme für kleine bis mittlere Stückzahlen zu entwickeln. Heutige SPS- oder PC-basierte Fertigungsleitsysteme verarbeiten imperative Anwei-sungen, die in den vorab erstellen Steuerungsprogrammen enthalten sind. Der Steu-erungsprogrammierer setzt auf diese Weise einen einmalig fixierten Zustandsauto-maten um. Diese Vorgehensweise stößt an ihre Grenzen und garantiert kein optima-les Verhalten des Automatisierungssystems unter den sich zur Laufzeit ändernden Randbedingungen, sobald eine parallele Ausführung mehrerer flexibler Fertigungs-abläufe gefordert wird. Die Berücksichtigung zusätzlicher Entscheidungsalternativen führt zu einem überproportionalen Komplexitätsanstieg in der Steuerungsprogram-mierung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, wie sich der Autonomie- und Flexibilitätsgrad in der Ablaufsteuerung automatisierter Fertigungssysteme nachhaltig steigern lässt. Die aufgestellte Lösungshypothese sieht einen Übergang von der starren, imperativen Steuerungsprogrammierung zur online Planung und Op-timierung des Fertigungsablaufs auf Basis einer deklarativen Modellbeschreibung eines Steuerungsproblems vor. Als Beweis wird in der Arbeit ein Konzept für die au-tonome Planung der Steuerungsabläufe in einem Fertigungsleitsystem für Flexible Fertigungssysteme entwickelt. Die wesentlichen Komponenten dieser Lösung sind ein geeignetes Metamodell zur domänenspezifischen Modellierung und ein Algorith-mus zur online Planung und Optimierung der Steuerungsentscheidungen. Da sich die individuellen Flexiblen Fertigungssysteme in ihrem Aufbau und ihren Fertigungs-abläufen stark unterscheiden, wurde eine Plattformlösung angestrebt, die die anla-genneutralen Funktionalitäten möglichst umfassend kapseln kann. Die entwickelten Ansätze wurden in einem Softwareprototyp umgesetzt und an einem realen Anla-genbeispiel validiert.

Klappentext

Die Automatisierung der Fertigungsprozesse richtet sich heutzutage überwiegend nach der Ausschöpfung der Skaleneffekte. Die Ursachen davon sind auf die be-grenzte Flexibilität in der Betriebsphase und die hohen Aufwendungen in der Pla-nung, Programmierung, Inbetriebnahme, Anpassung und Wartung von individuell projektierten Automatisierungslösungen zurückzuführen. Die hohen Lohnkosten in Verbindung mit der steigenden Nachfrage nach kundenindividuellen Produkten for-dern die Anlagenhersteller jedoch heraus, hochflexible und möglichst adaptive Auto-matisierungssysteme für kleine bis mittlere Stückzahlen zu entwickeln. Heutige SPS- oder PC-basierte Fertigungsleitsysteme verarbeiten imperative Anwei-sungen, die in den vorab erstellen Steuerungsprogrammen enthalten sind. Der Steu-erungsprogrammierer setzt auf diese Weise einen einmalig fixierten Zustandsauto-maten um. Diese Vorgehensweise stößt an ihre Grenzen und garantiert kein optima-les Verhalten des Automatisierungssystems unter den sich zur Laufzeit ändernden Randbedingungen, sobald eine parallele Ausführung mehrerer flexibler Fertigungs-abläufe gefordert wird. Die Berücksichtigung zusätzlicher Entscheidungsalternativen führt zu einem überproportionalen Komplexitätsanstieg in der Steuerungsprogram-mierung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, wie sich der Autonomie- und Flexibilitätsgrad in der Ablaufsteuerung automatisierter Fertigungssysteme nachhaltig steigern lässt. Die aufgestellte Lösungshypothese sieht einen Übergang von der starren, imperativen Steuerungsprogrammierung zur online Planung und Op-timierung des Fertigungsablaufs auf Basis einer deklarativen Modellbeschreibung eines Steuerungsproblems vor. Als Beweis wird in der Arbeit ein Konzept für die au-tonome Planung der Steuerungsabläufe in einem Fertigungsleitsystem für Flexible Fertigungssysteme entwickelt. Die wesentlichen Komponenten dieser Lösung sind ein geeignetes Metamodell zur domänenspezifischen Modellierung und ein Algorith-mus zur online Planung und Optimierung der Steuerungsentscheidungen. Da sich die individuellen Flexiblen Fertigungssysteme in ihrem Aufbau und ihren Fertigungs-abläufen stark unterscheiden, wurde eine Plattformlösung angestrebt, die die anla-genneutralen Funktionalitäten möglichst umfassend kapseln kann. Die entwickelten Ansätze wurden in einem Softwareprototyp umgesetzt und an einem realen Anla-genbeispiel validiert.